(57)【要約】【課題】ピエゾアクチュエータの内部における機械的な負荷を著しく減じることができるようにする。【解決手段】ピエゾアクチュエータ１であって、圧電物質から成っていて互いに上下に重なっている層５と該層の間に配置された電極１０とが、ピエゾスタックを形成するために設けられている形式のものにおいて、ピエゾスタックに、該ピエゾスタックにおいて生じる機械的な応力を減衰させる少なくとも１つの構造体１５が設けられている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾアクチュエータ（１）であって、圧電物質から成っていて互いに上下に重なっている層（５）と該層（５）の間に配置された電極（１０）とが、ピエゾスタックを形成するために設けられている形式のものにおいて、
ピエゾスタックに、該ピエゾスタックにおいて生じる機械的な応力を減衰させる少なくとも１つの構造体（１５）が設けられていることを特徴とする、応力を減衰する構造体を備えたピエゾアクチュエータ。
【請求項２】
構造体（１５）が応力減衰層（２０）によって形成されていて、該応力減衰層（２０）が凹設部（２５）を有している、請求項１記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項３】
応力減衰層（２０）が、圧電物質から成る層（５）の間に配置されている、請求項２記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項４】
応力減衰層（２０）の凹設部（２５）が、応力減衰層（２０）の少なくとも１つの外側領域（３０）に配置されている、請求項２又は３記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項５】
応力減衰層（２０）の凹設部（２５）が切欠きである、請求項４記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項６】
切欠きが応力減衰層（２０）の横断面で見て、半円形又はその他の対称的な形状を有している、請求項５記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項７】
構造体（１５）が圧電的にアクティブな物質又はインアクティブな物質から成っている、請求項１から６までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項８】
凹設部（２５）が応力減衰層（２０）の焼結前又は焼結後に形成される、請求項２から７までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピエゾアクチュエータであって、圧電物質から成っていて互いに上下に重なっている層と該層の間に配置された電極とが、ピエゾスタックを形成するために設けられている形式のものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ピエゾアクチュエータは、工業分野において種々様々に使用され、例えば特に、燃料噴射弁の弁閉鎖体を操作するアクチュエータとして、油圧弁を操作するアクチュエータとして、又はマイクロポンプを駆動するアクチュエータとして使用される。
【０００３】
例えば、ドイツ連邦共和国特許公開第１９８０２３０２号明細書の図３に開示された典型的なピエゾアクチュエータは、スタックもしくはパイル状に互いに上下に重ねられて配置されていて圧電物質から成る複数の層、いわゆるピエゾエレメントと、圧電層の間に配置された電極とから成っている。これらの電極はインタデジタル式の櫛歯構造体内に配置されており、つまりピエゾスタックの内部における電極はそれぞれ交互に、第１の外部電極もしくは第２の外部電極と接触接続されている。ピエゾスタックの内部における電極は、短く内部電極と呼ばれ、両外部電極に対して垂直に配置されている。このようにして両方の層表面における各圧電層は内部電極と接続されており、そして内部電極には第１の外部電極もしくは第２の外部電極を介して電圧を印加することができる。電圧の印加時に、パイル状もしくはスタック状に互いに上下に配置されたディスク状の各ピエゾエレメントは、内部電極の間に生じる電界の方向に伸長する。積み重ねられた多数のピエゾエレメントによって、比較的小さな制御電圧でも、比較的大きな行程が装置全体の積重ね方向において得られる。
【０００４】
このようなインタデジタル式の電極構造を有するアクチュエータでは、圧電式に生じる伸長は、積み重ねられたピエゾエレメントの結合及び両外部電極との内部電極の結合とによって、主として、内部電極が互いに完全にカバーし合うように向かい合っている中央領域においてしか発生しない。そして内部電極がそれぞれ隣接する内部電極と直接向かい合っていない縁部領域においては、電界強さの変化した領域が発生し、従って引張り応力が発生する。この機械的な負荷に基づいてこのようなアクチュエータではしばしば亀裂が形成されてしまう。
【０００５】
このような亀裂形成を回避するために、上に述べた刊行物では、アクチュエータに全部で４つの外部電極を設けることが提案されていて、この場合ピエゾスタックの各側にはそれぞれ外部電極が設けられていて、各２つの外部電極が、プラス極もしくはマイナス極へと電気的に接続されている。外部電極への内部電極の接触接続部を備えた臨界的な領域は、これによってもはやピエゾスタックの側面には分配されず、その結果これらの領域は積重ね方向においてさらに互いに間隔をおいて位置することができる。このような構成によってピエゾスタック内における引張り応力を減じることができ、ひいては亀裂形成の傾向を低減することができる。
【０００６】
従来技術に基づいて公知の、亀裂形成を回避する構成の欠点としては、２つの外部電極の代わりに全部で４つの外部電極が必要である、ということが挙げられる。さらにピエゾスタックの構造は、内部電極と４つの異なった外部電極との間における接触接続時に、周期的な順序に注意を払う必要があることによって、複雑になる。さらにまた、さらに強い機械的な負荷が加えられる場合に、外部電極の数を、５つ以上に増やすことは不可能である。それというのは、正方形のピエゾディスクを備えたピエゾスタックは４つの側面しか有していないからである。つまり外部電極への内部電極の接触接続領域の間隔をさらに広げるための可能性は、もはや存在しない。
【特許文献１】ドイツ連邦共和国特許公開第１９８０２３０２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式のピエゾアクチュエータを改良して、ピエゾアクチュエータの内部における機械的な負荷を著しく減じることができるようにする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題を解決するために本発明の構成では、ピエゾスタックに、該ピエゾスタックにおいて生じる機械的な応力を減衰させる少なくとも１つの構造体が設けられているようにした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のように構成されたピエゾアクチュエータには次のような利点がある。すなわち本発明によるピエゾアクチュエータでは、ピエゾスタックのピエゾエレメントの縁部領域における不都合な引張り応力を著しく減じることができ、しかもこの際にピエゾスタックのすべての４つの側面に外部電極を設ける必要はない。このようにして、ピエゾアクチュエータの内部における機械的な負荷が減じられ、結果的に、亀裂形成やその他の出力を減じる故障のような、材料における損傷が最小になる。本発明によるピエゾアクチュエータによってまた、必要に応じて応力減衰作用をさらに増すことができる。最後に付言すれば、本発明による配置形式によって、亀裂形成の連続が橋渡しされるのではなく、応力弛緩に基づいて、有利なことに亀裂形成がまったく生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
既にのべたように、ピエゾアクチュエータは通常、圧電物質から成る互いに上下に積層された複数の層から成っている。これらの層の間には電極が配置されていて、これらの電極は交互にプラス極もしくはマイナス極に接触接続される。
【００１２】
図１ａ及び図１ｂには、可能な２つの接触接続形式が示されている。圧電層５に対して平行に延びている内部電極２は、交互に第１の外部電極３又は第２の外部電極４に接触接続される。第１の外部電極３はこの場合マイナス極に接続され、第２の外部電極４はプラス極に接続されている。図１ａに示された構成は、全面的な内部電極２を示しており、つまり内部電極２は第１の外部電極３から第２の外部電極４まで連続的に延びている。しかしながら内部電極２は１つの外部電極４とだけ電気的に接触接続されねばならないので、接触接続されない相応な箇所には絶縁体６が設けられている。全面的な内部電極２の構成は、コンスタントな電界強さを有するいわゆるアクティブ領域７だけを有していると有利である。なぜならば、各領域はピエゾエレメントにおいて常に、逆向きに帯電される２つの内部電極２の間に配置されているからである。ピエゾエレメントの全領域におけるコンスタントな電界強さに基づいて、機械的な伸長もコンスタントである。しかしながら複雑な構造は必然的に、各内部電極２が第１の外部電極３もしくは第２の外部電極４に対して交互に絶縁体６を備えている、という欠点を生ぜしめる。従って外部電極３，４に対する内部電極２の第２の接触接続可能性が、つまりインタデジタル式の電極構造が構築された。
【００１３】
図１ｂにはインタデジタル式の電極構造における配置形式が示されている。この構成では内部電極２は、図１ａに示された面状の内部電極２に比べて短く、絶縁体６を必要としない。そして互いに隣接した２つの内部電極２はもはや互いに完全には重なっていない。つまり圧電層５には、中央のアクティブ領域７の他に、いわゆるセミアクティブ領域８も存在しており、これらのセミアクティブ領域８はずらされた内部電極２によって生ぜしめられる。
【００１４】
重なり合っている複数の圧電層５から成るピエゾスタック（Piezostapel）の典型的な構造が、図２に断面図で示されている。公知のように内部電極２は交互に第１の外部電極３又は第２の外部電極４でマイナス極もしくはプラス極に電気的に接触接続されている。アクティブ領域７において内部電極２は互いに完全に重なっていて、その結果コンスタントな電界強さが生ぜしめられる。セミアクティブ領域８においてはしかしながら、内部電極２がずらされていることに基づいて、異質（heterogen）な電界が生ぜしめられる。
【００１５】
明瞭にするために図３には、圧電層５の内部における電界の力線が示されている。以下においては単に内部電極２についてだけ触れるので、内部電極２は、取り違えのおそれなしに単に電極１０と呼ばれる。圧電層５の中央のアクティブ領域７においては常に、逆向きに帯電される２つの電極１０が等間隔をおいて互いに向かい合っており、そして均質な電界及び均質な伸長分布を生ぜしめる。しかしながらセミアクティブ領域８においては、コンスタントではなくかつ減じられた電界強さに基づいて、伸長もまた弱められている。このような伸長程度の差によって、アクチュエータの縁部領域においては機械的な負荷が大きくなる。
【００１６】
本発明によればピエゾアクチュエータにおいて、ピエゾスタックにおいて生じる機械的な応力を減衰させる少なくとも１つの構造体が設けられている。図４には応力を減衰させる構造体１５の１実施例が示されている。この構造体１５は例えば、凹設部２５を備えた応力減衰層２０によって形成される。凹設部２５は有利には少なくとも応力減衰層２０の１つの外側領域３０に配置されている。応力減衰層２０の凹設部２５は、応力減衰層２０の表面における切欠き（Kerbe）、つまり切り込み（Einschnitt）によって形成されることができる。切欠きは応力減衰層２０の横断面で見て有利には、半円形又は他の対称的な形状を有している。さらにまた構造体１５は、圧電的にアクティブな物質から成っていてもインアクティブな物質から成っていてもよく、凹設部２５は応力減衰層２０の焼結の前に形成されても又は焼結の後で形成されてもよい。
【００１７】
凹設部２５を備えた応力減衰層２０は、図５に示されているように、有利には圧電層５の間に配置されている。ピエゾアクチュエータは図５の実施例では、凹設部２５を備えた４つの応力減衰層２０を有しており、これらの応力減衰層２０もしくは凹設部２５は、ピエゾスタックにおいて均一に分配配置されている。インタデジタル式の電極構造が使用されているにもかかわらず、アクティブ領域７は、凹設部２５に基づいて自由に伸長することができ、応力の形成は阻止される。凹設部２５の正確な数又は幾何学的な寸法は、アクチュエータ型式に関連しており、必要に応じて変化する。特定のアクチュエータ型式においてより強い機械的な負荷が予想される場合には、さらなる別の応力減衰層２０をピエゾスタックに挿入すること及び／又は凹設部２５を増大させることができる。
【００１８】
全体として、応力減衰層２０の挿入によって、著しい機械的な弛緩（Relaxation）が達成され、これによってアクチュエータは負荷のない状態で働くことができる。これはアクチュエータの信頼性において直接的に有利な作用を及ぼす。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１ａ】電極の接触接続形式の１つの実施形態を示す図である。
【図１ｂ】電極の接触接続形式の別の実施形態を示す図である。
【図２】インタデジタル式の電極構造を有するピエゾスタックを示す図である。
【図３】アクティブ領域とセミアクティブ領域とを明らかにするために圧電層における電界の力線の経過を示す図である。
【図４】応力を減衰する構造体を示す図である。
【図５】応力減衰層を備えたピエゾアクチュエータを示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１  ピエゾアクチュエータ、  ２  内部電極、  ３，４  外部電極、  ５  圧電層、  ６  絶縁体、  ７  アクティブ領域、  ８  セミアクティブ領域、  １０  電極、  １５  構造体、  ２０  応力減衰層、  ２５  凹設部、  ３０  外側領域
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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